贺兰山东麓大气边界层气象条件分析

舒志亮 陶 涛 孙艳桥

1.中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室 宁夏银川 750002；2.宁夏气象灾害防御技术中心 宁夏银川 750002；3.成都信息工程大学电子工程学院 四川成都 610225

与环境背景相比，城市形成了一个独特的下垫面，其上方的近地面层大气特性形成了特殊的城市大气边界层，其典型厚度在1～2km之间[1-3]。大气边界层的粗糙度、水平风向风速变化、垂直风切变、气温的垂直分布结构等都会直接造成大气稳定程度的变化和湍流的发生，会直接造成大气边界层厚度的改变[4-7]。城市大气污染主要受两方面因素的影响：污染源和大气稳定度。杨静等[8]利用地面常规气象观测资料计算了近30年乌鲁木齐市大气稳定度和大气混合层高度随时间序列，分析了混合层高度和稳定度与空气污染的关系。

贺兰山东麓的石嘴山市位于宁夏北部，依靠贺兰山丰富的煤炭资源，经济迅速发展，但也造成了较为严重的污染，虽然近年来采取了很多治理措施，空气质量有所上升，但是其2019年前10个月空气污染在宁夏五市中依然最为严重[9]。石嘴山市主要的污染物有PM10、PM2.5以及SO2、O2，污染源是工矿企业排污，影响扩散的气象因子是降水、温度、风速[10]。本文利用一次连续的加密探空资料，分析石嘴山市边界层内风向、风速以及气温随高度变化情况，计算出石嘴山市不同时次及气象条件下的大气稳定度和混合层厚度，从而进一步了解石嘴山市边界层气象条件变化特征，为石嘴山市污染物扩散研究及其治理提供理论依据。

1 资料来源

由于大气边界层观测难度较大、成本较高、资料相对匮乏，许多边界层分析利用的是气象探空站的数据。气象探空站资料的优势是时间序列长且稳定，缺点是每天只有08h和20h两个时次的资料，探空站的布点比较少，时间和空间分辨率低。石嘴山市没有气象探空站，为了摸清石嘴山市边界层变化情况，宁夏气象科学研究所桑建人等人利用双经纬仪基线小球测风和低空探空测温的方法，在石嘴山市开展了为期11天的观测，具体时间为：2007年8月1～13日，每天在05h、08h、11h、14h、17h、20h共观测6次，取得了11天的宝贵的完整观测资料，本文所用的数据正是此次观测所得资料，以及同期石嘴山市国家气象站的云、气温、风向风速等观测资料。根据梁智豪[11]等人对我国119个探空站观测的边界层高度时空分布特征的研究，我国年平均边界层高度为200～600m，因此，本文选取了1000m以下的观测资料，每50m为一个高度层，来分析石嘴山市边界层气象条件的变化特征。

2 边界层风场特征

2.1 风向变化特征

为了比较直观地了解边界层风向特征，图1给出了1.5m、50m、150m、300m、400m及900m六个高度层的风向玫瑰图。根据分析可得，地面1.5m处主导风向为E，风向频率为15%；近地层50m处主导风向为NE，风向频率为13%；100m处主导风向为W，风向频率为18%；150m处主导风向为WNW，风向频率为18%；200～350m主导风向均W，风向频率12%～18%；400m和450m处主导风向为WSW，风向频率分别为17%和20%；500～600m各高度主导风向W，风向频率15%～20%；650～750m高度主导风向NNE，风向频率15%～20%；800m处主导风向为WNW，风向频率为15%；850m处主导风向为W，风向频率为13%；900～1000m各高度主导风向WNW，风向频率13%～17%。除地面1.5m处出现静风(C，静风频率为43%)外，其他各高度层均无静风。

(a)1.5m(静风频率为43%)

(b)50m(静风频率为0)

(c)150m(静风频率为0)

(c)300m(静风频率为0)

(d)400m(静风频率为0)

(e)900m(静风频率为0)图1 边界层各高度各风向频率玫瑰图Fig.1 Wind direction frequencies at various heights in the atmospheric boundary layer

2.2 风速变化特征

2.2.1 日变化特征

观测期内各时次平均风速随高度变化情况见图2。总体上，300m高度以下各时次平均风速随高度增加而增加，300m高度以上风速随高度变化较小。300m以下17h平均风速最大，350m、400m高度处20h平均风速最大，450m和500m处14h平均风速最大，550～800m各高度20h风速最大，850m、900m高度17h平均风速最大，950m、1000m高度处，最大风速值分别出现在08时、17时；地面1.5m高度05h平均风速最小，50～600m各高度平均风速最小值出现在08h，650～800m平均风速最小值出现在11h，850m、900m高度处平均风速最小值出现在14h，950m、1000m高度平均风速最小值分别出现在11h、14h。

图2 观测期各高度平均风速日变化Fig.2 Diurnal variation of average wind speed at all heights during observation period

2.2.2 不同风向的风速变化特征

地面1.5m处以WSW的风速最大；50m、100m最大风速在SE；150m、200m各高度最大风速在NNE；250m处最大风速在WSW；300m、350m最大风速在SSE；400m、450m高度最大风速出现在NNE；500m高度处最大风速出现在SSE；550m、600m高度处最大风速出现在NNE；650m、700m高度平均最大风速分别出现在WSW和ESE；750m、800m高度最大风速出现在W；850m、900m高度最大风速分别出现在SE和NNE；950m、1000m高度最大风速出现在WSW。总体上，各高度最大风速出现的方向分布不均匀。

(a)1.5m

(b)50m

(c)150m

(d)300m

(e)400m

(f)900m图3 边界层各高度各风向平均风速玫瑰图Fig.3 The average wind speed of all wind directions in the atmospheric boundary layer

3 大气稳定度变化特征

3.1 大气稳定度计算方法

根据帕斯奎尔分类法[12]，将大气稳定度分为强不稳定、不稳定、弱不稳定、中性、较稳定和稳定六级，分别用A、B、C、D、E、F表示。首先根据公式(1)[13]计算出石嘴山市各观测时次太阳高度角(由于本文分析的最大高度为1000m，几乎不会影响到太阳高度角的计算结果，因此近似认为从地面到1000m高度的太阳高度角相同)：

h0=arcsin[sinψsinσ+cosψcosσcos(15t+λ-300)]

(1)

式中：h0为太阳高度角，deg；ψ为观测点纬度，deg；σ为太阳倾角，deg；t为观测具体时间(北京时)，h；λ为观测点经度，deg。

根据计算出的太阳高度角查出不同云量状况下的太阳辐射等级，再根据太阳辐射等级查出石嘴山市不同观测高度在不同风速条件下的大气稳定度。

3.2 不同稳定度各高度向风速变化特征

地面1.5m处以小于1.0m/s风速段出现频率最大，50～250m各高度1～2.9m/s风速段出现频率最大，300～400m以3～5.9m/s风速段出现的频率最大，450～550m风速频率最大值出现在1～2.9m/s风速段，600～900m各高度3～5.9m/s风速段出现的频率最大，950m、1000m风速频率最大值分别出现在1～2.9m/s和3～5.9m/s风速段。总之，观测期内各高度以1～5.9m/s风速段出现的频率最大，≥8.0m/s风速出现的频率最小。

统计观测的各高度层的不同大气稳定度条件下的风速状况，得到了不同稳定度风速随高度变化情况(表1)。可以看出，在300m高度以下，除A稳定度下风速呈先增大后减小的趋势外，其他大气稳定度下的风速均呈现出快速增大的趋势，高度升高每100m，风速平均增大0.8m/s，300～700m之间，平均风速几乎没有变化，在3.3m/s左右，700～1000m之间，风速呈现缓慢增大的趋势。

表1 观测期间不同稳定度风速随高度变化表 单位：m/sTab.1Table of wind speed variation with height with different stability during observation

续表

3.3 不同稳定度风速廓线指数变化特征

在近地层，风速随高度的变化而有显著的变化，造成这种变化的原因是地面的粗糙度和近地层的大气垂直稳定度变化显著，风速廓线指数(风切变指数)表示风速在垂直方向的变化情况，其大小反映了风速随高度增加的变化程度，其值大表示风速随高度增大得快，风速梯度大；其值小表示风速随高度增加得慢，风速梯度小，其计算公式为幂公式[14-16]：

(2)

写成指数公式为：

(3)

式中：P为风速廓线指数；Z1为第一层高度，m；Z2为第二层高度，m；U1为Z1高度处平均风速，m/s；U2为Z2高度处平均风速，m/s。

根据上述公式，结合石嘴山市观测资料可以求出不同稳定度下风速廓线指数P(见表2)。

表2 不同稳定度下平均风速廓线指数(P)Tab.2 Average wind speed profile index under different stability

根据不同稳定度下平均风速廓线指数P对石嘴山市300m高度以下的平均风速进行拟合，将拟合的风速与其相同高度的实测风速进行对比分析(图4)，可得出在C、D、E、F四类大气稳定度下风速随高度的变化符合幂指数规律，拟合程度比较高，A、B类稳定度在各高度拟合较差。

4 大气混合层厚度变化特征

4.1 低空温度场变化特征

根据观测期各高度、各时段的平均气温时空变化，可得出在05h和20h出现了200m和100m的接地逆温，08h在150m与500m之间气温稳定变化不大外，其他时次平均气温均呈递减状态。各时次平均气温从地面到1000m高度由25.5℃递减到19.6℃。各层平均气温日变化规律基本为：05h、08h、11h、20h、14h、17h依次升高。05h左右各层平均气温最低，在18～21.1℃之间变化；下午17h左右各层平均气温最高，由地面的29.6℃逐渐下降到1000m的20.8℃。

4.2 混合层厚度计算方法

大气混合层厚度的大小和变化特征直接影响着污染物在大气中的扩散范围和稀释速率，是反映大气边界层污染气象特征的重要参数[17-18]，采用国际法计算不同大气稳定度等级下混合层的厚度，公式如下：

当大气稳定度等级为A，B，C，D时

L=A0U/F

(4)

当稳定度等级为在E，F时

(5)

式中：L为大气混合层厚度，m；U为一定高度层的平均风速，m/s；A0、B0为大气混合层系数；F为地转参数。

4.3 混合层厚度随时间变化特征

根据公式(4)、(5)结合05h、08h、11h、14h、17h和20h六个时次的风速资料计算混合层厚度，得到石嘴山市不同时次混合层平均厚度，根据其日变化情况(表3)可以看出，石嘴山市大气混合层厚度与气温的变化成正相关，变化幅度较大，混合层厚度最小值出现在05h，为67.3m，随着气温升高，大气混合层厚度随之快速增加，到14h增加至一日中最大值，为1124.6m，随着温度降低，大气混合层厚度也随之快速减小，最大值是最小值的16.7倍。各时次平均混合层厚度为489.7m。

表3 观测期不同时次的混合层厚度Tab.3 The thickness of the mixed layer at different observation periods

4.4 不同稳定度下混合层厚度变化特征

根据公式(4)、(5)结合A、B、C、D、E、F六个不同等级大气稳定度的风速资料计算混合层厚度，得出不同大气稳定度条件下混合层厚度(表4)，可以看出，弱不稳定(C)大气混合层厚度最大，达1144.6m，其次为不稳定大气(B)，为670m，接下来依次为，中性大气(D)、较稳定大气(E)和稳定大气(F)，其混合层厚度依次为，413.2、124和19m，强不稳定大气(A)的混合层厚度为0m。混合层厚度与大气不同稳定度关系密切。

表4 观测期不同稳定度条件下的混合层厚度Tab.4 Thickness of mixed layer under different stability conditions during observation period

5 结论

(1)石嘴山市边界层内各高度层主导风向分布不均；300m高度以下各时次风速随高度递增，300m以上风速随高度变化不大；300m高度以下和850m高度以上普遍以17h平均风速最大，其他各高度平均风速最大值主要出现在20h；各高度平均风速最小值主要出现在清晨和上午各时次；各高度以1～5.9m/s风速段出现的频率最大，≥8.0m/s风速出现的频率最小。

(2)平均风速廓线指数P对石嘴山市300m高度以下的平均风速在C、D、E、F四类大气稳定度下风速随高度的变化符合幂指数规律，能较好地拟合实测风速，A、B类稳定度在各高度拟合较差。在300m高度以下，除A稳定度下风速呈先增大后减小的趋势外，其他大气稳定度下的风速均呈现出快速增大的趋势。

(3)大气混合层厚度与气温的变化成正相关，变化幅度较大，混合层厚度最小值出现在05h，为67.3m，最大值出现在14h，为1124.6m，是最小值的16.7倍，平均混合层厚度为489.7m。弱不稳定(C)大气混合层厚度最大，达1144.6m，接下来依次为不稳定大气(B)、中性大气(D)、较稳定大气(E)和稳定大气(F)，强不稳定大气(A)的混合层厚度为0m,05h、20h出现了200m和100m的接地逆温。